WYKŁAD X
WYKŁAD X
Regulacja funkcji
Regulacja funkcji
genów u bakterii
genów u bakterii
Teoria operonu
Teoria operonu
WYKŁAD X
WYKŁAD X
Regulacja funkcji
Regulacja funkcji
genów u bakterii
genów u bakterii
Teoria operonu
Teoria operonu
Regulacja ekspresji informacji
Regulacja ekspresji informacji
genetycznej - organizmy
genetycznej - organizmy
prokariotyczne
prokariotyczne
w komórkach prokariotycznych
w komórkach prokariotycznych
istnieją bardzo precyzyjne
istnieją bardzo precyzyjne
mechanizmy regulujące biosyntezę
mechanizmy regulujące biosyntezę
tylko tych białek,
tylko tych białek,
które są w danej chwili niezbędne.
które są w danej chwili niezbędne.
Ponad 75% genów u bakterii
Ponad 75% genów u bakterii
występuje w zespołach, które kodują
występuje w zespołach, które kodują
białka enzymatyczne związane z
białka enzymatyczne związane z
jednym szlakiem metabolicznym i są
jednym szlakiem metabolicznym i są
to
to
operony
operony
.
.
Jednym z najlepiej poznanych
Jednym z najlepiej poznanych
układów regulacyjnych u bakterii jest
układów regulacyjnych u bakterii jest
operon laktozowy
operon laktozowy
.
.
Operon laktozowy
Operon laktozowy
u
u
Escherichia coli
Escherichia coli
– jest systemem
– jest systemem
regulującym stężenie enzymów
regulującym stężenie enzymów
odpowiedzialnych za rozkład laktozy.
odpowiedzialnych za rozkład laktozy.
W warunkach nieobecności laktozy,
W warunkach nieobecności laktozy,
system utrzymuje niski poziom
system utrzymuje niski poziom
enzymów,
enzymów,
natomiast w przypadku obecności
natomiast w przypadku obecności
laktozy powoduje szybki wzrost ich
laktozy powoduje szybki wzrost ich
stężenia
stężenia
Jocob i Monod zaproponowali
Jocob i Monod zaproponowali
(1961r.) model operonu laktozowego
(1961r.) model operonu laktozowego
lac
lac
W skład operonu lac wchodzą ułożone obok siebie
W skład operonu lac wchodzą ułożone obok siebie
3 geny strukturalne warunkujące syntezę
3 geny strukturalne warunkujące syntezę
enzymów związanych z metabolizmem laktozy:
enzymów związanych z metabolizmem laktozy:
gen Z kodujący - galaktozydazę
gen Z kodujący - galaktozydazę
- hydrolizuje
- hydrolizuje
laktozę na galaktozę i glukozę.
laktozę na galaktozę i glukozę.
gen Y koduję permeazę
gen Y koduję permeazę
- odpowiedzialną za
- odpowiedzialną za
yransport galaktozy do komórki.
yransport galaktozy do komórki.
gen A koduję transacetylazę
gen A koduję transacetylazę
β
β
-
-
galaktozydową –
galaktozydową –
transport laktozy w
transport laktozy w
cytoplazmie
cytoplazmie
W regulacji ich ekspresji bierze
W regulacji ich ekspresji bierze
udział kilka genów:
udział kilka genów:
gen regulatorowy
gen regulatorowy
(gen lacI), który
(gen lacI), który
koduje cząsteczkę
koduje cząsteczkę
represora
represora
zdolną do
zdolną do
przejścia do operatora, gdzie indukuje
przejścia do operatora, gdzie indukuje
ona sygnał wyłączający operon
ona sygnał wyłączający operon
gen operatora
gen operatora
, który otrzymuje sygnał
, który otrzymuje sygnał
wyłączający z represora
wyłączający z represora
promotor
promotor
(jego sekwencje częściowo
(jego sekwencje częściowo
nachodzą na gen operatorowy) -
nachodzą na gen operatorowy) -
miejsce gdzie przyłącza się polimeraza
miejsce gdzie przyłącza się polimeraza
RNA i indukuje syntezę mRNA
RNA i indukuje syntezę mRNA
GEN REGULATOROWY
GEN REGULATOROWY
*Koduje białko REPRESOROWE
*Koduje białko REPRESOROWE
syntetyzowane w sposób
syntetyzowane w sposób
konstytutywny
konstytutywny
*działa bezpośrednio na gen
*działa bezpośrednio na gen
operatorowy
operatorowy
(powoduje odkształcenie struktury
(powoduje odkształcenie struktury
DNA); jeżeli się połączy z operatorem
DNA); jeżeli się połączy z operatorem
– następuje zablokowanie transkrypcji
– następuje zablokowanie transkrypcji
*działa pośrednio na geny struktury
*działa pośrednio na geny struktury
(poprzez operatora)
(poprzez operatora)
ALLOSTERYCZNE
ALLOSTERYCZNE
WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK
WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK
REPRESOROWYCH
REPRESOROWYCH
Zdolność REPRESORA do zmiany
Zdolność REPRESORA do zmiany
konformacji = zmiana
konformacji = zmiana
właściwości REPRESORA
właściwości REPRESORA
Np. represor operonu
Np. represor operonu
laktozowego połączony z
laktozowego połączony z
efektorem staje się nieaktywny
efektorem staje się nieaktywny
Represor operonu
Represor operonu
tryptofanowego połączony z
tryptofanowego połączony z
efektorem (korepresorem) staje
efektorem (korepresorem) staje
się aktywny
się aktywny
Represor przejawia
Represor przejawia
powinowactwo do genów
powinowactwo do genów
operatora oraz do laktozy.
operatora oraz do laktozy.
Dociera on do genu operatora i wytwarza
Dociera on do genu operatora i wytwarza
z nim połączenie, które uniemożliwia
z nim połączenie, które uniemożliwia
przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż
przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż
nici DNA od miejsca promotora do genów
nici DNA od miejsca promotora do genów
struktury.
struktury.
Transkrypcja genów struktury zostaje
Transkrypcja genów struktury zostaje
zahamowana.
zahamowana.
Represor działa jako regulator ujemny.
Represor działa jako regulator ujemny.
Odblokowanie operatora może
Odblokowanie operatora może
nastąpić pod wpływem laktozy,
nastąpić pod wpływem laktozy,
która łącząc się z represorem,
która łącząc się z represorem,
powoduje jego unieczynnienie.
powoduje jego unieczynnienie.
Laktoza działa w tym układzie jako
Laktoza działa w tym układzie jako
induktor.
induktor.
Operon lac u
Operon lac u
E. coli
E. coli
Represja kataboliczna
Represja kataboliczna
gdy komórka bakterii jednocześnie
gdy komórka bakterii jednocześnie
otrzyma laktozę i glukozę.
otrzyma laktozę i glukozę.
Wtedy działa mechanizm, tzw. represja
Wtedy działa mechanizm, tzw. represja
kataboliczna,
kataboliczna,
który umożliwia bakterii zużywanie
który umożliwia bakterii zużywanie
najpierw glukozy w obecności laktozy
najpierw glukozy w obecności laktozy
(nie dochodzi do uaktywnienia operonu
(nie dochodzi do uaktywnienia operonu
lac aż do wyczerpania glukozy).
lac aż do wyczerpania glukozy).
Mechanizm tzw. represji
Mechanizm tzw. represji
katabolicznej
katabolicznej
polimeraza RNA łączy się z promotorem
polimeraza RNA łączy się z promotorem
w operonie lac dużo wydajniej w
w operonie lac dużo wydajniej w
obecności specyficznego białka
obecności specyficznego białka
CAP
CAP
(catabolite gene activator protein),
(catabolite gene activator protein),
które musi być związane ze
które musi być związane ze
specyficznym miejscem DNA położonym
specyficznym miejscem DNA położonym
w pobliżu tzw.
w pobliżu tzw.
CBS
CBS
(CAP binding site).
(CAP binding site).
Białko CAP wiąże się z tym miejscem w
Białko CAP wiąże się z tym miejscem w
obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi
obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi
przy braku glukozy.
przy braku glukozy.
Glukoza działa represyjnie na
Glukoza działa represyjnie na
operon lac
operon lac
Hamuje syntezę cAMP
Hamuje syntezę cAMP
Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże
Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże
się z CBS,
się z CBS,
polimeraza RNA wiąże się z
polimeraza RNA wiąże się z
promotorem mniej wydajnie
promotorem mniej wydajnie
i synteza enzymów szlaku
i synteza enzymów szlaku
laktozowego zostaje spowolniona.
laktozowego zostaje spowolniona.
Istnieją więc trzy różne
Istnieją więc trzy różne
poziomy aktywności operonu
poziomy aktywności operonu
lac:
lac:
nieobecność laktozy: nie ma substratu,
nieobecność laktozy: nie ma substratu,
niepotrzebne są enzymy do katalizy
niepotrzebne są enzymy do katalizy
(represor lac jest połączony z operonem i
(represor lac jest połączony z operonem i
blokuje wiązanie się polimerazy RNA).
blokuje wiązanie się polimerazy RNA).
przy obecności laktozy, lecz braku glukozy:
przy obecności laktozy, lecz braku glukozy:
laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu
laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu
związanie się z operatorem, co z kolei
związanie się z operatorem, co z kolei
pozwala na przyłączenie polimerazy RNA
pozwala na przyłączenie polimerazy RNA
poziom cAMP
poziom cAMP
Operon lac
Operon lac
to przykład
to przykład
pozytywnej
pozytywnej
regulacji ekspresji
regulacji ekspresji
genów u
genów u
E.
E.
coli,
coli,
gdyż obecność substratu w
gdyż obecność substratu w
pożywce indukuje produkcję
pożywce indukuje produkcję
enzymów.
enzymów.
Inny model regulacji
Inny model regulacji
ekspresji genów u bakterii
ekspresji genów u bakterii
Represja - czyli zahamowanie
Represja - czyli zahamowanie
syntezy enzymów szlaku
syntezy enzymów szlaku
biosyntetycznego w odpowiedzi na
biosyntetycznego w odpowiedzi na
nadmiar końcowego produktu.
nadmiar końcowego produktu.
Przykładem operonu regulowanego w
Przykładem operonu regulowanego w
ten sposób jest
ten sposób jest
operon
operon
tryptofanowy
tryptofanowy
(trp).
(trp).
Operon ten zawiera pięć genów
Operon ten zawiera pięć genów
struktury (E,D,C,B,A) kodujących
struktury (E,D,C,B,A) kodujących
enzymy syntetyzujące tryptofan
enzymy syntetyzujące tryptofan
W obecności tryptofanu cząsteczka
W obecności tryptofanu cząsteczka
represora wiąże się z nim i zmienia
represora wiąże się z nim i zmienia
konformację, na taką która
konformację, na taką która
umożliwia związanie się z
umożliwia związanie się z
operatorem i zablokowanie syntezy
operatorem i zablokowanie syntezy
enzymów.
enzymów.
Jeżeli tryptofan jest nieobecny,
Jeżeli tryptofan jest nieobecny,
represor nie może związać się z
represor nie może związać się z
operatorem.
operatorem.
Dochodzi wtedy do przyłączenia
Dochodzi wtedy do przyłączenia
polimerazy RNA
polimerazy RNA
i syntezy enzymów, które
i syntezy enzymów, które
doprowadzą do syntezy tryptofanu.
doprowadzą do syntezy tryptofanu.
Atenuacja
Atenuacja
Komórki bakteryjne reagują nie
Komórki bakteryjne reagują nie
tylko na brak lub obecność
tylko na brak lub obecność
tryptofanu ale również na jego
tryptofanu ale również na jego
stężenie.
stężenie.
ATENUATORY transkrypcji-
ATENUATORY transkrypcji-
samodzielnie działające
samodzielnie działające
sekwencje, występujące na
sekwencje, występujące na
końcach jednostek transkrypcji.
końcach jednostek transkrypcji.
Kontrola transkrypcji tryptofanu
Kontrola transkrypcji tryptofanu
przez ATENUACJĘ czyli
przez ATENUACJĘ czyli
przedwczesną terminację
przedwczesną terminację
transkrypcji.
transkrypcji.
U
U
E. coli
E. coli
atenuatory występują w
atenuatory występują w
operonie tryptofanowym na
operonie tryptofanowym na
końcu genu A i na początku
końcu genu A i na początku
sekwencji liderowych genu E.
sekwencji liderowych genu E.
*Liczne cząsteczki tryptofanu
*Liczne cząsteczki tryptofanu
powodują zapętlenie liderowego
powodują zapętlenie liderowego
mRNA
mRNA
*Być może, że nadmiar tryptofanu
*Być może, że nadmiar tryptofanu
aktywuje swoiste białko
aktywuje swoiste białko
represorowe, które wiąże się z
represorowe, które wiąże się z
sekwencjami atenuacyjnymi i
sekwencjami atenuacyjnymi i
blokuje w ten sposób transkrypcję
blokuje w ten sposób transkrypcję
Atenuacja
Atenuacja
Atenuacja jest typem regulacji opartym na
Atenuacja jest typem regulacji opartym na
fakcie, że w organizmach prokariotycznych
fakcie, że w organizmach prokariotycznych
transkrypcja i translacja są procesami
transkrypcja i translacja są procesami
połączonymi.
połączonymi.
w operonie tryptofanowym poza
w operonie tryptofanowym poza
wspomnianymi już wcześniej genami operon
wspomnianymi już wcześniej genami operon
ten zawiera tzw. sekwencję liderową
ten zawiera tzw. sekwencję liderową
w obrębie której znajduje się region
w obrębie której znajduje się region
atenuatora kodujący polipeptyd
atenuatora kodujący polipeptyd
zawierający przy końcu kodony
zawierający przy końcu kodony
tryptofanu.
tryptofanu.
Jeżeli w komórce znajduje się dużo
Jeżeli w komórce znajduje się dużo
tryptofanu peptyd liderowy zostanie
tryptofanu peptyd liderowy zostanie
zsyntetyzowany.
zsyntetyzowany.
Natomiast przy braku tryptofanu nie
Natomiast przy braku tryptofanu nie
powstanie peptyd liderowy.
powstanie peptyd liderowy.
Jakie są tego rezultaty?
Jakie są tego rezultaty?
Synteza peptydu liderowego
Synteza peptydu liderowego
prowadzi do zahamowania
prowadzi do zahamowania
transkrypcji genów tryptofanowych.
transkrypcji genów tryptofanowych.
